国外高能激光系统试验与评价技术发展及启示

(湖北航天技术研究院 总体设计所，武汉 430040)

0 引言

高能激光系统作为一种采用光能代替传统化学能和机械能实现对目标有效毁伤的新型军事装备，具有速度快、精度高、抗电磁干扰、可重复使用、单发效费比高等优点，在光电对抗、主动照明和末端防御等领域具有广泛的应用价值。近年来，各国高能激光系统研究的主攻方向已由化学激光体制转变为固体激光体制，并围绕陆、海、空、天各平台应用需求开展研制部署[1-4]。

伴随着高能激光系统逐渐从技术攻关阶段发展至实战化部署阶段，试验与评价技术的重要性也日益提升。目前，国际上高能激光系统试验与评价技术研究主要围绕系统集成性、使用性和综合效能验证等方面展开。

本文首先介绍了美国高能激光系统发展历程，针对当前高能激光系统试验与评价需求及发展现状进行了分析综述，得出了美国高能激光系统试验技术的发展趋势，并从中给出了我国高能激光系统试验与评价技术发展的启示。

1 高能激光系统发展现状

自1960年激光问世时起，美国就一直致力于推动高能激光系统武器化应用。在经历了几十年发展后，美国高能激光系统研究处于领先地位，并已在海、陆、空各平台上开展了性能验证[5-8]，如图1所示。

图1 美国海陆空各平台高能激光系统

舰载激光系统方面，美国海军已完成了海军激光武器系统(Laser Weapon System，LaWS)等系统的综合集成验证，在海上环境下实现了无人机、武装小艇等目标摧毁[9-11]。2014年，美军将30 kW功率等级的LaWS系统部署在“庞塞”号船坞登陆舰，充分验证了激光系统在强风、高温、潮湿等恶劣海洋环境下的作战性能。2015年，美军围绕舰船自防御需求，启动了激光武器系统验证机(Laser Weapon System Demonstrator，LWSD)项目，在LaWS系统基础上解决包括激光功率、光束质量、激光导光结构以及激光系统其他相关的物理结构和光学设计等问题，使激光功率达到150 kW。2018年，美国海军授予洛·马公司一份价值1.5亿美元的合同，计划在2020年前研制两套太阳神(HELIOS)舰载激光系统(60～100 kW等级)，其中一套将装备于阿利伯克级驱逐舰、另一套交付新墨西哥州白沙靶场。2019年，针对船坞急需反制无人机的作战需求，美国海军启动具备干扰和致盲功能的海军光学致盲干扰(Optical Dazzling Interdictor, Navy，ODIN)项目，计划安装到1艘水面舰船上进行测试。

车载激光系统方面，美国陆军基于车载平台开展了多轮系统集成、演示验证以及光源升级工作。2013年，(High Energy Laser Mobile Demonstrator，HEL-MD)激光系统用10 kW光纤激光器在测试过程中成功摧毁了数架无人机以及多达90枚迫击炮弹。同年在白沙靶场完成了70多次迫击炮弹和无人机的打靶试验。2017年，美军将洛·马公司研制的6万瓦级光谱合成激光器集成到重型战术卡车上，并于2018年在白沙靶场进行演示验证，成功击毁火箭弹和迫击炮弹。2018年，美国陆军启动了基于中型卡车的10万瓦高能激光战术车辆演示器(High Energy Laser Tactical Vehicle Demonstrator，HEL-TVD)计划，预计2022年在白沙靶场进行测试。

机载激光系统方面，美国空军已完成了机载激光系统(Airborne Laser，ABL)、先进战术激光系统(Airborne Tactical Laser，ATL)等项目的系统集成与演示验证试验。2009年至2010年，美国空军ABL系统以波音747-400F为平台进行了3次反导拦截试验，包括固体和液体燃料弹道导弹，有效拦截距离40千米。2017年，美国空军研究实验室授予了洛马公司150 kW级的自保护激光演示系统(Self-Protect High Energy Laser Demonstrator，SHiELD)项目，用于提升战斗机对地空和空空导弹的自卫能力。2019年4月，美国空军和洛马公司在白沙导弹靶场利用SHiELD系统地面测试替代品的激光系统演示器成功击落了多枚飞行中的空射导弹，并预计在2021年具备机载吊舱式激光系统样机飞行测试条件。

图2 SHiELD系统地面测试演示器

目前，美国战术应用高能激光系统研究已实现了由技术验证向实战化部署的转变。美国海军研究室发展规划显示，美海军高能激光系统实战化部署可分为3个阶段，如表1所示。针对现役舰船的反无人机、反水面船只、侦查致盲和末端防御需求，在2017年前后完成60～100 kW功率等级高能激光系统研制与验证；针对未来舰船的互防反舰导弹需求，在2022年完成300～500 kW功率等级的高能激光系统研究；针对综合电力系统舰船平台、航空母舰等舰船的自防反舰导弹、反弹道导弹需求，在2025年完成大于1 MW功率等级的高能激光系统研制与演示验证。

表1 美海军高能激光系统发展规划

2 高能激光系统试验与评价技术发展现状

2.1 美军装备试验管理规划与试验评价思路

为保证高能激光装备能够满足实战需求，美国国防部试验资源管理中心从军事需求、技术水平和经济等角度综合考虑，依托三项主要计划来推动试验与评价技术的发展，如表2所示[12]：1991年设立的试验与评价核心投资计划(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)，以发展或提升多平台通用测试能力为目标，年度预算1.4亿美元/年，对应技术成熟度为6～9级；2002年设立的试验与评价/科学与技术计划(Test and Evaluation/Science and Technology，T&E/S&T)，以发展高能激光系统测试技术为目标，年度预算0.95亿美元/年，对应技术成熟度为3～6级；2007年设立的联合任务环境试验能力计划(Joint Mission Environment Test Capability，JMETC)，以提供联合测试基础设施为目标，年度预算0.19亿美元/年。

表2 美国高能激光试验验证计划

经过多年发展，美军装备试验评价方式已从传统的“分阶段”试验和“分类型”试验变为基于能力需求的一体化试验评价，不再单纯考核装备的技术指标，而是转向考核装备的作战效能是否能够满足作战任务的需要，在研发设计之初就考虑试验因素，实现研制试验评价到作战试验评价的无缝集成[13]。具体到高能激光系统试验评价技术方面，美军已经形成了“核心技术攻关+系统验证+平台试用”并行推进的发展思路，在以实战应用为目标对核心技术持续攻关的同时，依托已建成的系统试验平台对高能激光系统能力进行充分验证，再将通过验证的系统装载到海、陆、空平台上，检验实际使用效能，从而不断促进高能激光系统实用化。

2.2 美国高能激光系统试验评价能力现状

美国军方及武器生产商的多家机构长期致力于高能激光系统试验与评价技术研究，主要研究内容涵盖先进高功率激光源验证技术、超高精度光束控制与测试技术、激光系统建模与仿真技术、激光效能测试技术和激光系统集成验证技术等多个方面，并建设了一系列高能激光系统测试试验平台，能够支持开展海、陆、空多种平台激光装备的集成测试与演示验证试验。其中，以位于新墨西哥州的白沙导弹靶场最为著名，如图3所示。

图3 白沙导弹靶场高能激光系统试验场及其测试中心

白沙靶场内的高能激光系统试验场是美国国家级高能激光研究、开发、试验与评价组织，是美国陆军空间与导弹防御司令部定向能武器的主要试验场，同时也是海陆空三军高能激光方向的研究、开发、试验与评价中心。高能激光系统试验场的核心区域为测试中心，主要由激光测试及演示平台、脉冲激光易损性测试系统、目标反射率测量系统、目标辐照度测量系统、真空试验系统、效能试验区和危险测试区等七部分组成，具备满足多层次、多类型试验需求的能力，包括高能激光性能参数测试试验、静动态目标易损性试验、大气传输试验、材料效能评估试验、军事破坏性试验、爆炸目标安全性试验和模拟环境下的激光杀伤力试验等，如表3所示。

表3 高能激光试验场测试中心各部分功能

综合至今公开的报道，白沙靶场已完成过包括ABL系统在内的化学体制高能激光系统集成测试，和基于光纤激光体的舰载、车载和直升机平台系统集成与试验，具备了兆瓦功率等级、1.5 m发射口径系统试验评价能力，光谱合成、空间功率合成光纤激光系统测试试验能力，并且能够支持开展针对车辆、无人机、迫击炮弹、火箭弹和弹道导弹等目标的全系统级动态打击试验。此外，美军在白沙靶场正逐步建成针对光纤体制机载激光系统的集成测试与试验评价能力，以确保在2021前完成SHiELD系统的集成与演示验证工作。

3 高能激光系统试验评价技术发展趋势

随着美军各类高能激光系统研究的不断推进，相关试验与评价技术也越来越成熟，并体现出三大发展趋势：1)以实战化为出发点，面向激光武器实际应用需求设计试验测试项目，考核平台适用性；2)试验鉴定与工程研制逐渐一体化，在设计之初就考虑测试试验因素；3)激光系统测试目标逐步由技术验证测试转变为试验鉴定测试。

3.1 面向实战设计试验内容

面向实战应用需求设计试验内容已逐步成为美军高能激光装备鉴定评价过程中的常态。以LaWS舰载激光系统为例，如图4所示，系统集成完成后，美军首先于2009年在加州中国湖海军空战中心开展了陆基试验，验证了LaWS在静止平台上的全系统动态打击能力；2010年，LaWS在加州圣尼古拉斯岛开展了岸基打靶试验，首次验证了高能激光系统在海风、大气吸收、大气散射、大气湍流等海洋环境因素影响下对无人机、小艇等目标的毁伤效果；2011年，LaWS在波托马克河试验场的海洋环境中开展了动平台弱光跟踪试验，验证了系统在海洋移动平台上的动态跟踪能力；2012年，LaWS系统被安装在“杜威”号(阿利伯克级)驱逐舰前方甲板上，进行了一年多的海试，充分验证了系统在舰船环境下的使用性能；2013年，LaWS在庞塞号两栖战舰上正式服役，编号为AN/SEQ-3；2014年， AN/SEQ-3在中东海域(波斯湾)对舰载激光器的作战性能进行了多轮实战射击试验，完成了实际作战环境下的全系统性能考核。在一系列的测试和认证步骤之后，LaWS成为了美国所有军事部门部署的第一个完全批准的高能激光系统。

图4 LaWS系统研制部署过程

3.2 试验评价与工程研制一体化

试验评价与工程研制一体化的核心是在进行高能激光系统方案设计之初，就综合考虑测试试验因素，将试验评价贯穿高能激光装备研制的全过程[14-15]。美军将装备试验评价分为研制试验评价和作战试验评价两大类，如图5所示：研制试验评价通过“试验-分析-改进-试验”的过程全面收集产品数据，建立产品性能数据库，改进仿真模型，并通过仿真分析方法进一步指导技术方案的优化；作战试验评价从方案分析和技术攻关阶段开始，基于研制模型及模型参数来进行早期作战仿真评估；在系统研制与演示验证阶段，根据现有性能数据库对装备潜在效能进行评价，以详细规划和设计作战试验评价计划；在生产与部署阶段的全速率生产之前，模拟近实战环境条件，通过现场试验对评估武器装备的作战效能和作战适用性；在使用保障阶段进行的后续作战试验评价，主要是改进评价方法、纠正装备缺陷，并对装备作战效能、作战适用性及质量稳定性等进行全面评价。

图5 美军高能激光系统各研制阶段的试验鉴定

3.3 技术验证测试向试验鉴定测试的转变

随着高能激光系统研究从关键技术攻关阶段发展为实战化部署阶段，试验测试目标也开始由技术验证测试转变为试验鉴定测试。早期研究阶段，美军开展技术验证测试的目标是获取高能激光系统综合性能指标，用来验证技术攻关的完成情况，并为建模仿真、方案设计和系统研制的优化迭代提供数据支撑，主要包括系统闭环性测试、出光能力测试、捕获跟踪瞄准能力测试和毁伤能力测试等。进入试验鉴定测试阶段后，高能激光系统试验目标不再是单纯的性能指标测试，而是针对高能激光装备在预期战场环境下的全系统作战效能和作战适用性进行试验与评价，并以此作为鉴定高能激光装备合格与否的标准。其中，作战效能评价重点考核激光装备在预期战场环境下完成预期作战任务的能力，例如高能激光系统与目标指示雷达等外部探测设备的信息对接匹配能力，不同湍流强度、天光背景条件下对各种类型机动目标的动态跟踪打击能力等，作战适应性评价重点考核激光装备在作战使用过程中的可靠性成都，例如车载、舰载、机载平台下高能激光系统的环境适应性和性能稳定性等，如图6所示。

图6 高能激光系统作战效能验证

4 发展启示

综合分析美军试验评价技术的发展现状与发展趋势可知，美国高能激光系统试验的目的已从技术验证测试转变为试验鉴定测试，以实战需求为出发点设计试验内容，通过将试验鉴定贯穿整个装备研制过程的方法，保障高能激光系统的作战效能和平台适应性。相对而言，近些年国内高能激光技术发展迅速，为更好推动我国高能激光装备应用，抢占先机，可以充分借鉴国外先进发展经验，结合自身特点，重点开展3个方面的能力建设：

1)加速推进高能激光系统集成验证与测试方法研究，并构建出一套完整的试验验证与测试方法体系；

2)加快推进高能激光系统效能评价与验证方法研究，建设激光装备的数字化验证能力，构建激光系统效能数据库；

3)加速推动试验鉴定能力建设，在满足高能激光系统技术攻关要求的同时，着眼于激光装备应用部署需要，建成能够满足全系统研制和试验评价需求的集成、测试和效能验证平台，为我国高能激光系统的实战化应用提供有力支撑。